[PDF] Maximisation de la Puissance Produite par une Génératrice

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JCGE'08 LYON, 16 et 17 décembre 2008

Maximisation de la Puissance Produite

par une Génératrice Asynchrone Double Alimentation d'une Eolienne par Mode Glissant d'Ordre Supérieur

B. Beltran

Université de Brest, EA 4325 LBMS, IUT de Brest - Rue de Kergoat - CS 93837, 29238 Brest Cedex 03 Résumé - L'énergie éolienne possède de nombreux avantages, elle ne pollue pas et c'est une source inépuisable. Cependant, le coût de cette énergie est encore trop élevé pour concurrencer les sources fossiles traditionnelles, notamment sur les sites moins ventés. Le rendement d'une éolienne dépend essentiellement de trois paramètres : la puissance du vent, la courbe de puissance de la turbine et l'habilité de la génératrice à répondre aux fluctuations du vent. Cet article propose alors une commande robuste de la génératrice asynchrone double alimentation d'une éolienne qui permet d'optimiser sa production, c'est-à-dire améliorer la qualité de l'énergie produite et son rendement énergétique. La commande proposée ; à savoir un mode glissant d'ordre supérieur, a

été validée sur une éolienne

tripale de 1.5-MW en utilisant le simulateur FAST du

NREL (National Renewable Energy Laboratory).

NOMENCLATURE

v = Vitesse du vent (m/sec) ;

ȡ = Densité de l'air (kg/m

3 R = Rayon du rotor (m) ; P a = Puissance aérodynamique (W) ; T a = Couple aérodynamique (Nm) ; = Vitesse spécifique ; C p (Ȝ) = Coefficient de puissance ; C q (Ȝ) = Coefficient de couple ; mr = Vitesse du rotor/partie mécanique (rad/sec) ; mg = Vitesse du générateur/partie mécanique(rad/sec) ; T g = Couple de la génératrice (Nm) ; T ls = Couple en basse vitesse (Nm) ; T hs = Couple en grande vitesse (Nm) ; K g = Coefficient de rigidité/génératrice (Nm/rad sec) ; K r = Coefficient de rigidité/rotor (Nm/rad sec) ; K t = Coefficient de rigidité total (Nm/rad sec) ; J r = Inertie du rotor (kg m 2 J g = Inertie de la génératrice (kg m 2 J t = Inertie totale (kg m 2 V (I) = Tension (courant) (V, A) ; P (Q) = Puissance active (réactive) ; = Flux (Wb) ; T em = Couple électromagnétique (Nm) ; R s (R r ) = Résistance statorique (rotorique) () ; L s (L r ) = Inductance statorique (rotorique) (H) ; M = Inductance mutuelle (H) ; = Coefficient de fuites, = 1 - M 2 /L s L r r = Rotor position ; r s ) = Vitesse angulaire (vitesse synchrone) ; g = Glissement ; p = Nombre de paire de pôles. I. I

NTRODUCTION

Le développement durable et les énergies renouvelables suscitent aujourd'hui l'intérêt de plusieurs équipes de recherches. Ainsi, le développement des éoliennes représente un grand investissement dans le domaine de la recherche technologique. Ces systèmes qui produisent de l'énergie électrique à partir du vent peuvent constituer une alternative technologique et économique aux différentes sources d'énergies épuisables. D'ailleurs, la croissance de l'industrie éolienne mondiale est de l'ordre de 30 % par an depuis le début des années 2000 (Fig. 1) [1]. L'utilisation des aérogénérateurs présente des avantages importants. En effet, ils sont pour l'instant l'un des moyens les plus écologiques d'obtenir de l'électricité et cette source est inépuisable. Cependant le coût de l'énergie éolienne est encore trop élevé pour concurrencer les sources traditionnelles. De nombreux travaux de recherche sur la commande d'éoliennes ont été menés. Grâce à eux, les dernières générations d'éoliennes fonctionnent avec une vitesse variable et disposent d'une régulation pitch [2]. Nous pouvons modifier ainsi la vitesse de rotation et l'angle de calage de chacune des pales, nous permettant ainsi d'améliorer la production de l'aérogénérateur. Néanmoins, il reste encore à introduire plus d'intelligence dans le fonctionnement des aérogénérateurs. Fig. 1. Croissance mondiale de la capacité installée d'énergie éolienne [1].

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L'objectif de cet article est de proposer une commande robuste de la génératrice qui puisse optimiser la production de l'éolienne c'est-à-dire, améliorer la qualité de l'énergie produite et le rendement énergétique. Mais aussi de diminuer les charges mécaniques de fatigue, qui aurait pour conséquence de rendre possible la fabrication d'aéroturbines plus légères améliorant de ce fait la productivité. La commande doit donc tenir compte du comportement du système dans son ensemble. De même, les perturbations provenant du vent doivent également être considérées. L'aérogénérateur étudié est une éolienne tripale à axe horizontal et régulation pitch utilisant une Génératrice Asynchrone Double Alimentation (GADA). En effet, le but étant de réduire les coûts, la puissance transitant par les convertisseurs est moindre pour cette configuration en comparaison avec une génératrice asynchrone à cage ou synchrone. La stratégie de commande proposée, schématiquement illustrée par la Fig. 2, se décompose alors en deux principaux blocs : 1) Le bloc MPPT (Maximum Power Point Tracking) qui se charge de générer la référence du bloc contrôle ; 2) Le bloc contrôle (par mode glissant du 2 nd ordre) qui commande la GADA à travers le convertisseurs.

II. MODELISATION DE LA TURBINE

La modélisation de la turbine est inspirée de [3-4]. La puissance disponible du vent traversant une surface A v est définie par 3 1 2 ventv

PAv (1)

La puissance captée par l'éolienne est alors 2 1()2 ap PRC 3 v (2) Le coefficient de puissance est défini par le ratio de la puissance capté par la turbine sur la puissance du vent. a p vent PCP (3) C p est fonction de la vitesse spécifique définie par r R v (4) La puissance captée par l'éolienne peut être exprimée par amr P a

T (5)

Des équations ci-dessus, on peut déduire l'expression du couple aérodynamique. 3 1()2 2 aq

TRCv (6)

Dans ce qui suit, le couplage mécanique est décrit. En prenant en compte les coefficients de rigidité et d'amortissement, nous obtenons les équations suivantes. rmr a rmr rmr ls gmg hs gmg gmg em JTKBT

JTK B T

(7)

Le rapport de multiplication est défini par

mgls g mr hs TnT (8) En utilisant les équations précédentes on obtient tmr a tmr tmr g

JTK B T (9)

GADA

Multiplicateur

Réseau 50 Hz

Puissance statorique

Puissance

rotorique

Convertisseur PWM I

GénératriceConvertisseur PWM II

Réseau

Commande par Mode

Glissant du 2

nd Ordre

Puissance

Vitessev

1 v 2 v nMPPT

Turbine

uv I r r T em GADA

Multiplicateur

Réseau 50 Hz

Puissance statorique

Puissance

rotorique

Convertisseur PWM I

GénératriceConvertisseur PWM II

Réseau

Commande par Mode

Glissant du 2

nd Ordre

Commande par Mode

Glissant du 2

nd Ordre

Puissance

Vitessev

1 v 2 v n

Puissance

Vitessev

1 v 2 v nMPPT

Turbine

uv I r r T em

Fig. 2. Principe de la stratégie de commande.

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avec 2 2 2 trgg trg trgg ggem g JJnJ KKnK BBnB TnT (10) Etant donné que la rigidité est très faible, on pourra la négliger .L'expression de la dynamique de la turbine devient alors tmr a tmr g

JTK T (11)

III. LE BLOC MPPT

Le couple de référence issue du bloc MPPT doit répondre à deux problématiques : la maximisation de la puissance et la gestion des zones de fonctionnement de l'éolienne [4]. Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale théoriquement disponible présente un maximum défini par la limite de Betz. Cette limite n'est en réalité jamais atteinte et chaque éolienne est définie par son propre coefficient de puissance exprimé en fonction de la vitesse relative représentant le rapport entre la vitesse de l'extrémité des pales de l'éolienne et la vitesse du vent. La Figure 3 illustre un exemple de courbes de puissance d'une éolienne [5]. D'autant plus, que pour extraire de manière efficace la puissance du vent, tout en maintenant en sécurité le régime,quotesdbs_dbs32.pdfusesText_38

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